非線性聲學參量陣利用聲波傳播的非線性原理，能在小換能器尺寸下得到高指向性的低頻聲波。低頻聲波對於淺地層資訊探測具有重要意義。利用Berktay非線性自解調參量陣原理設計一款參量陣淺地層剖面儀，並針對參量陣差頻轉換效率較低的缺點研究了訊號預處理方法，經過Matlab模擬實驗驗證，訊號預處理方法可以改善差頻轉換效能。
關鍵詞︰管線探測;參量陣淺剖儀;訊號預處理方法;差頻轉換效率
Abstract : Nonlinear principle of acoustic wave propagation is applied to the nonlinearacoustic parametric array , and the high directivity low frequency sound wave is obtained bya small size transducer.Low frequency sound wave is great significance for shallow stratuminformation detection. A parametric array sub?bottom profiler is designed with Berktaynonlinear self?demodulation parametric array principle, and the signal preprocessingmethod is studied to improve the disadvantage of low parametric array difference frequencyconversion efficiency.The Matlab simulation experiments prove that the performance ofdifference frequency conversion is improved by the signal preprocessing method.
Keywords : pipeline detection ; parametric array sub?bottom profiler ; signalpreprocessing method ; difference frequency conversion efficiency
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引言
伴隨我國對海洋資源的日漸渴求，海洋工程建設與日俱增，用於資源輸送的掩埋管線的架設與維護依賴於對海底淺地層資訊的探測。基於線性聲學原理的傳統地質探測，聲納采用較低的工作頻率，一方面減少海水對聲波的吸收;另一方面使低頻聲波穿透海底沉積層，並達到一定的深度，進而實現對淺地層資訊的探測。但是線性低頻聲納的波束較寬，徑向解析度很低，非常容易受到海面回波的干擾，且因為寬波束造成的側向回波與正向回波時延相差很大，使得介面混響大幅度降低了裝置的軸向解析度，而如果採用高指向性低頻波束，換能器的尺寸會十分龐大[1]，工程應用十分不便。
非線性聲學參量陣利用聲波傳播的非線性原理，能在小換能器尺寸下得到高指向性的低頻聲波(即差頻波），並且具有低旁瓣，相對頻寬展寬的特點[2]，非常適合於海底沉積層結構和淺地層掩埋管線的探測。鑑於非線性聲學參量陣的優點，本文設計了一款用於海底淺地層掩埋管線探測的參量陣淺剖儀。雖然聲學參量陣具有諸多優點，卻是以犧牲發射功率為代價，以很低的差頻轉換效率得到高指向性低頻聲波，所以，本文透過研究發射訊號的預處理方法來提高參量陣的差頻轉換效率。
1.非線性聲學參量陣原理
1.1非線性聲學參量陣
在介質中，由換能器發射兩個頻率較為接近的共軸高頻聲波，分別為[f1]和[f2]（假定[f1>f2])，稱為原頻（Primary Frequency )。在原頻波共同覆蓋的區域，由於聲波之間的非線性作用，產生了差頻為[f1-f2]的低頻聲波(Difference Frequency )，對於共軸的高頻原頻波，差頻波如同一個沿原頻波軸向連續分佈的虛源線陣，其陣長決定於介質對原頻波和差頻波的吸收[3]。
1.2 Berktay寬頻自解調參量陣
Westervelt提出的線源參量陣理論是考慮兩個單獨的高頻原頻波產生的差頻訊號，Berktay在其基礎上對寬頻訊號作為原頻波的情況進行研究[6]，提出寬頻自解調參量陣，即使用幅度調製的原頻波來產生差頻訊號。
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⒉參量陣淺剖儀的設計
本文設計的參量陣淺剖儀由幹端和溼端兩部分組成。溼端由嵌入式訊號處理機 (DSP)、原頻發射機、原頻接收機、差頻接收機及收發合置換能器組成。幹端由顯示控制計算機和48V直流穩壓電源組成。幹端、溼端透過乙太網通訊，由水密電纜相連。系統初始化後，由計算機控制嵌入式訊號處理機產生調製原頻波訊號，經過驅動後直接驅動功率放大器，再由輸出變壓器輸出至匹配電路，為保證差頻訊號有足夠的頻寬，匹配電路具有寬頻特性及在頻寬內平坦響應，透過收發合置換能器輻射原頻波。原頻通道既具有測深功能，又是差頻通道TVG補償的一個重要起始時間點，通道最大增益為80dB;具有TVG控制。差頻接收通道採取無源低通濾波，對原頻的衰減需大於80 dB。差頻通道的無源濾波是為了充分濾除原頻訊號，避免原頻訊號在接收機中由於電路的非線性而產生差頻訊號而引起的干擾;通道最大增益為110 dB，具有TVG控制。訊號處理機以TMS320F28335為核心，負責發射訊號形成、原頻訊號處理及差頻訊號處理，將處理結果透過乙太網傳送至幹端的顯示控制計算機，原頻訊號採用帶通取樣，差頻訊號透過直接取樣的方法，取樣頻率為100 kHz。一路原頻A/D輸入，只需要檢波處理;一路差頻A/D輸入，進行脈衝壓縮處理;兩路D/A輸出，分別給原頻和差頻TVG控制，差頻的'TVG控制由原頻檢測訊號控制。溼端電源由幹端直流供電，直流電源的電壓為48V，供電電流最大為2A。溼端所需的各種電壓採用DC/DC變換產生，發射機直接由48V供電。發射機發射時的瞬時能量由儲能電容供給。利用單邊帶調幅調製原頻波自解調到的差頻波比雙邊帶調製節約了頻寬，顯著節省了功率，不存在諧波失真，提高了轉換效率，與平方根法相比工程容易實現。實際的參量陣聲納製作不會採用Westervelt線源雙頻參量陣發射兩個雙頻訊號，本文利用Berktay寬頻自解調參量陣理論，設計一款參量陣淺剖儀。從式(6 ）結論可知，合適的包絡訊號對獲得的差頻聲壓大小有顯著影響。
3.訊號預處理模擬實驗
透過分析三種方法自解調產生的差頻聲壓可知:
( 1 ）平方根法以最低的調製訊號強度產生了與其他兩種方法同數量級的差頻聲壓強度，但是平方根法工程物理實現困難。
( 2）從圖4與圖6的對比，可知同數量級的調製訊號強度，雙邊帶調製法產生的差頻聲壓是單邊帶調製法的100倍，但從式(9)可以看出，雙邊帶調製法得到的差頻聲壓與包含在差頻中的二次諧波聲壓存在1[:]500的關係，所以單邊帶調製法產生的差頻波強度約為雙邊帶調製法的5倍。
綜上所述，可以透過單邊帶調製法提高參量陣淺剖儀的差頻轉換效率，節約功率和頻寬。
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4.結語
非線性聲學參量陣利用聲波傳播的非線性原理，能在小換能器尺寸下得到高指向性的低頻聲波，本文利用Berktay寬頻自解調參量陣原理設計了一款參量陣淺地層剖面儀，針對參量陣淺剖儀差頻轉換效率較低的缺點，提出了透過訊號預處理方法提高差頻轉換效率，節約功率和頻寬，對改善淺剖儀效能具有指導意義，參量陣淺剖儀輕便實用，具有重要的工程意義。
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